1月24日消息，中国科学院物理研究所联合团队取得AI芯片领域重大突破性成果，其相关研究论文于北京时间1月23日凌晨正式登上国际顶级学术期刊《Science》，首次在三维晶体中发现并操控“一维带电畴壁”新结构，开创铁电材料应用新路径，成功突破现有存储密度极限，为下一代超高密度、低功耗AI芯片研发奠定坚实科学基础，彰显我国在AI芯片核心材料领域的国际领先实力。
据悉，该成果由中科院物理研究所金奎娟院士、葛琛研究员、张庆华副研究员联合团队潜心攻关完成，研究聚焦AI芯片核心痛点——存储密度与算力提升的瓶颈，创新性地采用维度限制设计思路，在萤石结构氧化锆薄膜中实现关键突破。长期以来，科学界普遍认为三维晶体中的铁电畴壁本征为二维“面状”结构，而该团队通过材料制备与观测技术创新，首次发现厚度与宽度均仅为埃米级别（约0.25纳米，相当于人类头发直径的数十万分之一）的一维带电畴壁，打破了传统认知边界。
团队通过激光分子束外延方法，创制出仅十个晶胞层厚度（约5纳米）的自支撑萤石结构铁电薄膜，并借助先进电子显微技术，实现对薄膜晶体结构的原子级观测与精准调控，基本掌握了薄膜中每一个原子的具体位置。研究发现，这些一维带电畴壁如同纤细的“电荷线”，被限制在极薄的极性晶格层内，其稳定存在得益于氧离子和氧空位扮演的“原子胶水”作用，团队更成功通过电子辐照产生的局部电场，实现对这类畴壁的人工写入、移动与擦除，为可控电路功能实现迈出关键一步。
此次突破的核心价值的体现在两大层面：科学层面，填补了铁电物理中畴壁维度的空白，阐明了萤石铁电体中极化切换与氧离子传输之间的内在耦合关系，完善了铁电畴壁相关理论体系；应用层面，一维带电畴壁的发现实现了存储单元从“面”到“线”再到“点”的跨越式升级，存储密度预计比现有技术提高数百倍，理论上可达每平方厘米20TB，相当于能将1万部高清电影或20万段高清短视频存储在一张邮票大小的设备中，真正实现“邮票存万影”的科幻场景。
更值得关注的是，该成果为AI芯片研发提供了全新技术路径。基于一维带电畴壁的灵活电场可调性，未来可在同一物理器件中同时实现高密度数据存储与类脑计算功能，有效破解当前AI芯片“存储与计算分离”导致的算力损耗、功耗过高难题，其制备的人造神经突触不仅能大幅提升器件密度，还具备低功耗、易操控、稳定性强的优势——团队3年前制备的实验样品中，仍能观察到畴壁稳定存在，为后续产业化应用提供了可靠支撑。
业内人士分析，当前AI技术快速迭代，AI芯片对存储密度、算力和功耗的要求持续攀升，铁电材料作为“信息存储的明星材料”，其技术突破直接关系到AI芯片产业的发展格局。中科院团队此次登Science的成果，不仅打破了国外在高端铁电材料及AI芯片核心技术领域的垄断，补全了铁电物理研究的一块拼图，更推动我国在存算一体AI芯片领域实现“从跟跑到领跑”的跨越，对我国抢占全球AI芯片技术制高点、保障半导体产业链自主可控具有重要战略意义。
据了解，该团队自2018年起便聚焦萤石结构铁电材料研究，历经多年攻关完成此次突破，相关研究得到国家相关科研计划的大力支持。目前，团队正持续推进成果转化，后续将重点优化材料制备工艺、降低量产成本，推动这一新型铁电材料技术尽快从实验室走向生产线，赋能AI芯片、高端存储、类脑智能等前沿领域，助力我国培育新质生产力、打造半导体产业创新高地。
